Exploration des mécanismes moléculaires de la reprogrammation directe d'astrocytes en neurones induits GABAergiques

Le système nerveux central des mammifères ne possède pas la capacité de régénérer les neurones perdus suite à une lésion ou à une neurodégénération. Afin de pallier ce manque, une stratégie émergente de réparation cérébrale consiste à convertir des cellules gliales résidantes du cerveau en neurones induits (iNs) fonctionnels, par reprogrammation cellulaire directe. Cette reprogrammation peut être réalisée en induisant l’expression de facteurs de transcription neurogéniques. Les astrocytes représentent des cibles idéales : ils prolifèrent suite à un dommage cérébral, et leur origine cellulaire commune avec les neurones pourrait faciliter leur reprogrammation. Un avantage de la reprogrammation directe d’astrocyte en iN est de pouvoir induire un phénotype neuronal précis, grâce à une combinaison de facteurs de transcription adaptée. Cette reprogrammation représente une stratégie prometteuse pour le remplacement de neurones perdus, mais la compréhension de ses mécanismes reste limitée. L’objectif de ma thèse est de disséquer les mécanismes moléculaires sous-tendant la reprogrammation d’astrocytes en iNs GABAergiques. J’ai montré que l’expression des facteurs de transcription Ascl1 et Dlx2 induit efficacement la reprogrammation d’astrocytes en iNs GABAergiques. J’ai ensuite montré par single cell RNA-Sequencing que les astrocytes exprimant les facteurs de transcription Ascl1 et Dlx2, ou Dlx2 seul, présentent deux trajectoires transcriptionnelles alternatives conduisant à leur reprogrammation en iNs GABAergiques. Ces trajectoires, établies par analyse pseudo-temporelle, permettent l’identification d’états intermédiaires distincts au cours de la reprogrammation. La première trajectoire est composée d’une première étape durant laquelle les cellules de départ, présentant un profil d’astrocytes matures, perdent l’expression de leurs marqueurs d’identité gliale et expriment de manière transitoire des gènes associés aux cellules souches neurales. La transition de l’état astrocytaire au premier état intermédiaire s’accompagne d’une activité liée à la transcription et traduction ainsi qu’à un métabolisme glycolytique et lipidique accru, mais aussi d’une forte expression de composants mitochondriaux. Le second état intermédiaire se caractérise par l’expression de gènes impliqués dans la différenciation neuronale ainsi que dans le stress oxydatif. Ces observations, ainsi que celle d’une diminution d’expression des gènes liés à la glycolyse, précise la mise en place du changement métabolique profond nécessaire pour la transition d’un métabolisme glial glycolytique à l’acquisition d’un métabolisme neuronale reposant sur la phosphorylation oxydative. La seconde trajectoire montre une transition de l’astrocyte à un état intermédiaire cyclant. Ces cellules, ayant perdu l’expression de leurs gènes gliaux, présentent l’expression de gènes neuronaux et liés au lignage GABAergique. La transition de l’astrocyte à l’iN GABAergic s’accompagne également d’une reprogrammation épigénétique, observée à l’échelle transcriptionnelle par l’expression graduelle de gènes liés au remodelage chromatinien, ainsi qu’au changement de profil d’expression d’ARN non codants. En conclusion, mes travaux apportent une description précise des mécanismes moléculaires sous-tendant la reprogrammation directe d’astrocytes en neurones induits GABAergiques. L’utilisation de séquençage ARN à l’échelle de la cellule unique m’a permis d’explorer en détail la dynamique d'expression des gènes au cours du processus de reprogrammation. L’identification des voies métaboliques et épigénétiques impliquées dans cette reprogrammation permet d’aiguiller de futures explorations fonctionnelles qui permettront de mieux comprendre et d’optimiser ce processus. Enfin, ce travail apporte des connaissances essentielles dans l’optique d’une translation potentielle de cette reprogrammation d’astrocytes en neurones induits comme stratégie thérapeutique chez l’homme.